專利名稱：一種高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法
一種高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法技術領域
本發(fā)明屬于可見光催化技術領域，具體涉及一種氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法。
背景技術：
鈦酸鍶(SrTiO3)是一種優(yōu)良的氧化物半導體光催化劑，由于它的寬禁帶，SrTiO3 只對能量高于3. 2eV的紫外光響應，而紫外光只占到達地球的太陽光譜中的一小部分(不足10%)，這使它在環(huán)境和能源領域的實際應用受到局限。摻雜非金屬元素(如N)可以在價帶上方引入摻雜能級，使SrTiO3的帶隙變窄，進而能夠利用光譜中能量比3. 2eV小的一部分可見光。另一方面氧化物半導體光催化劑(如SrTi03、Ti02)雖然是優(yōu)良的光催化劑，但它們的光催化效率還不夠高，提高它們的光催化效率也是光催化工作的主要任務之一。某些表面結構缺陷(如氧空位、臺階等)被認為可以增強鈦酸鍶表面的水等小分子的解離吸附， 進而增強光催化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法。
本發(fā)明提出的高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法，是基于氮元素和表面結構缺陷的共摻雜實現(xiàn)的，前者擴展氧化物催化劑可利用光譜的范圍，后者充當額外的解離吸附位。即本發(fā)明使用低能氮離子轟擊鈦酸鍶晶片表面同時輔以高溫加熱，獲得有效替位氮摻雜的同時也引入一些有利的表面結構缺陷。具體步驟如下1、將鈦酸鍶晶片(SrTiO3(100))用丙酮清洗，吹干，然后將鈦酸鍶晶片固定在不銹鋼樣品架上，其背面和樣品架接觸良好，以便于導電導熱；2、鈦酸鍶晶片樣品放好后，將真空室抽真空，待真空室真空度優(yōu)于2X10_6 Pa時，通入高純(99. 999%)氮氣，使氣壓維持在1. 5—2X 1(Γ2 Pa ；3、使用背置熱電子束，將鈦酸鍶晶片樣品加熱到900-1050K ；4、同時,開啟Kaufmann離子槍,轟擊鈦酸銀晶片樣品,氮離子轟擊參數(shù)是離子動能為1. 5KeV，離子劑量為1-6 X 1018，束流密度為1000 μ A/cm2，轟擊時間為3-18 min ；5、關閉離子槍，停止加熱，取樣。
本發(fā)明方法可以用于制備高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑，具有重要的科學意義，也有在環(huán)境和能源領域上廣泛的應用前景。


圖1是本發(fā)明的樣品制備裝置圖。
圖2是光催化的裝置圖。
圖3是可見和紫外光催化的一個實驗結果。曲線I表示沒有加載任何樣品的情況， 曲線II表示加載純的未處理的SrTiO3的情況，曲線III表示加載氮離子轟擊的SrTiO3的情況。
圖4是氮離子轟擊前后SrTiO3的紫外可見吸收譜。
圖5是氮離子轟擊后SrTiO3的N Is電子能譜。
圖6是氮離子轟擊后(左)以及純的(右)SrTiO3與水的接觸角(a)側視圖，(b)俯視圖。
圖7是氮離子轟擊后SrTiO3的X-TEM圖(a)為低倍放大圖，(b)為高倍放大圖。 1-4分別表示體晶格區(qū)、應力區(qū)、離子調(diào)制區(qū)和膠。
具體實施方式
下面結合附圖和實例具體描述本發(fā)明。
I、鈦酸鍶晶片(SrTiO3 (100))丙酮清洗15分鐘，吹干，固定在不銹鋼樣品架上。
2、進樣后待真空室真空度優(yōu)于2 X Kr6 Pa時，通入高純(99. 999%)氮氣，使氣壓維持在1. 5Χ1(Γ2 Pa。
3、使用背置熱電子束使樣品加熱到1000 K。
4、開啟五厘米Kaufmann離子槍,轟擊15 min,束流密度為1000 μΑ/cm2。
5、關閉離子槍，停止加熱。取樣。
我們通過追蹤加載不同催化劑的MB的668nm峰值吸收度隨光照時間的變化來表征光催化劑的活性，采用如圖2所示的催化裝置，可見光和紫外光催化的一個實驗結果如圖3所示，縱軸表示加載不同樣品的亞甲基藍(MB)在3 (a)可見光和3 (b)紫外光照射一定 時間后的668nm峰值吸收度，橫軸表示波長。分別使用汞燈405和365 nm的譜線作為光催化表征的可見光和紫外光光源。圖3 (a)曲線II和曲線I幾乎重合，說明可見光照下MB 沒有被SrTiO3分解；曲線III和曲線I比較可見氮離子轟擊后的樣品可以持續(xù)地快速分解 MB,在我們的實驗條件下8小時光照后約72%的MB被催化分解。這一可見光催化活性源于替代位的氮元素摻雜導致的帶隙變窄。圖3 (b)中曲線I也隨時間有明顯的降低，說明單純的MB在紫外光下也可以被分解，比較曲線II和I發(fā)現(xiàn)純的鈦酸鍶也有可觀的紫外光催化，這是顯然的，而比較III和II可以發(fā)現(xiàn)氮離子轟擊后的樣品比純的鈦酸鍶紫外光催化顯著增強，比如分解75%的MB前者需要約3小時，而后者需要約兩倍的時間。這是因為離子轟擊在表面區(qū)產(chǎn)生一些有利的輻射致結構缺陷(如氧空位、臺階等)，這些缺陷充當了額外的解離吸附位。
為了進一步了解催化劑的物理化學性質(zhì)，我們進行了紫外可見吸收譜、X光電子能譜(XPS)、接觸角和截面透射電鏡(X-TEM)的分析。紫外可見吸收譜(圖4)顯示氮離子轟擊后樣品(曲線I)存在一個從紫外區(qū)延伸到約600nm的吸收結構，和純鈦酸鍶(曲線2)相比可以發(fā)現(xiàn)氮離子轟擊后鈦酸鍶的帶隙變窄了。氮離子轟擊后鈦酸鍶的XPS N Is譜(圖5)顯示氮轟擊有效引入了替位氮摻雜(396.1 eV)，397. 7eV處的信號歸因于間隙位的氮，即N-O形式結合的氮元素。根據(jù)擬合的峰面積計算，它們的面積比為6:1，在取樣深度總的氮摻雜濃度為20 atm%。接觸角分析(圖6)顯示氮離子轟擊后鈦酸鍶(左)的接觸角比未處理的樣品 (右)顯著減小，前者約為15°，后者約為40°，這表明前者比后者具有更好的親水性，這源于離子輻射產(chǎn)生的表面結構缺陷(如氧空位、臺階等)。氮離子轟擊樣品的X-TEM圖像(圖7)顯示表面區(qū)約7 nm的區(qū)域為離子調(diào)制層。調(diào)整區(qū)晶格排列有一定的規(guī)則性，但不如內(nèi)部的體晶格排列規(guī)則，說明 離子調(diào)制區(qū)有一些結構缺陷，這些缺陷可能充當光生載流子的捕獲陷阱， 起到阻止它們快速復合的作用。
權利要求
1. 一種高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法，其特征在于使用低能氮離子轟擊鈦酸鍶晶片表面同時輔以高溫加熱，獲得有效替位氮摻雜的同時也引入ー些有利的表面結構缺陷，具體步驟如下 (1)將鈦酸鍶晶片用丙酮清洗，吹干，然后將鈦酸鍶晶片固定在不銹鋼樣品架上，其背面和樣品架接觸良好，以便于導電導熱； (2)鈦酸鍶晶片樣品放好后，將真空室抽真空，待真空室真空度優(yōu)于2X10_6 Pa時，通入高純氮氣，使氣壓維持在I. 5—2X 10_2 Pa ； (3)使用背置熱電子束，將鈦酸鍶晶片樣品加熱到900-1050K ； (4)開啟Kaufmann離子槍,轟擊鈦酸銀晶片樣品，轟擊3_18min,束流密度為1000μ A/cm2 ； (5)關閉離子槍，停止加熱，取出樣品。
全文摘要
本發(fā)明屬于可見光催化技術領域，具體為一種高效氮摻雜鈦酸鍶光催化劑的制備方法。本發(fā)明采用低能氮離子束轟擊鈦酸鍶晶片同時輔以高溫加熱，這種方法既可以有效的替位摻雜氮元素，同時在表面區(qū)域引入一些有利的結構缺陷。本發(fā)明方法制備的鈦酸鍶既有可觀的可見光催化，也有增強的紫外光催化。本發(fā)明方法在環(huán)境和能源領域具有廣泛應用前景。
文檔編號B01J37/34GK102974378SQ201210404958
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者孫濤, 代忠紅, 陸明 申請人:復旦大學